[发明专利]离子导电树脂纤维、离子导电复合膜、膜电极组件和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子导电树脂纤维、离子导电杂化膜、膜电极组件和燃料电池，且更具体而言，本发明涉及一种在离子传导性、溶剂稳定性和尺寸稳定性方面优异的离子导电树脂纤维、包含该离子导电树脂纤维的离子导电杂化膜、膜电极组件和燃料电池。

背景技术

近来，可预见到常规能源资源(如油或炭)将枯竭，因此对替代能源的兴趣日益增加。作为替代能量之一，燃料电池具有高效率，不散发如NO_X或SO_X的污染物质，且向燃料电池供给大量的燃料，因而，燃料电池引起了公众的注意。

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学反应能转换为电能的电力系统。通常，使用如氢、甲醇或丁烷的烃类作为燃料，并且使用氧作为氧化剂。

燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔化碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。其中，PEMFC具有良好的能量密度和高输出量，因此，其研究和开发正在活跃地进行。

为了商品化，PEMFC的性能提高、寿命延长和竞争价格是当前主要需要考虑的事项。这三个因素最主要受膜电极组件(MEA)影响，并且本发明涉及MEA，特别是，MEA的离子交换膜。

在燃料电池的运行中，水的有效管理是影响燃料电池性能的最主要的因素之一。在实践中，将湿燃料供给到燃料电池中以防止膜电极组件干燥。在阴极产生的水应被迅速地除去，从而不会阻塞燃料供给。

注意，水在膜电极组件中是特别重要的。当水供给不足时，离子交换膜的氢离子的传导性会突然减少。因此，膜电极组件的性能在短周期内劣化，并且在长周期内，会促使离子交换膜的部分或全部劣化，从而产生膜的针孔，这会导致膜电极组件的寿命终止。因此，为了使膜电极组件的性能和寿命最大化，离子交换膜应被供给/保持所需的最佳水量。

同时，过量的水会导致催化剂的溶解，膜电极组件的气体扩散层的氧化加速，运行稳定性的劣化，或者用于加湿的外部装置的扩大或增加。因此，需要能够在50％以下的低RH下确保足够的离子传导性的离子交换膜。这种低湿度离子交换膜需要较小的绝对含水量，因此具有以下优点：易于系统的稳定运行和管理，消除或减少与水管理相关的部件，并且甚至在相对湿度较低的情况下，在80℃以上的高温下也能够运行。

通常，在作为基于氟化物的离子交换膜的全氟磺酸膜的情况下，已尝试降低表示执行氢离子传导功能的SO₃H基团的量的EW(当量)，即，增大离子传导性，从而导致在特定的相对湿度下的高离子传导性。在作为代替基于氟化物的离子交换膜使用的基于烃的离子交换膜的情况下，已知基于烃的离子交换膜应具有比基于氟化物的离子交换膜的EW低的EW，从而获得与基于氟化物的离子交换膜相同的离子传导性。

换句话说，高离子传导性导致低EW，其表示传导氢离子的大量SO₃H基团/克离子交换膜。

然而，由于SO₃H基团的量增加，离子交换膜的极性溶剂(水或醇)稳定性迅速下降，在燃料电池的湿工作条件下尺寸稳定性表现欠佳，并且最终膜会溶解。为了解决上述问题，本发明使用由具有最大量的SO₃H以使离子传导性最大化的离子导电材料制造的离子交换膜，从而提供了一种构造以确保机械和化学稳定性。

发明内容

技术问题

设计本发明来解决现有技术的问题，因此，本发明的一个目的是提供一种在低湿度条件下在离子传导性、极性溶剂稳定性和尺寸稳定性方面优异的离子导电树脂纤维。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述离子导电树脂纤维制成的用于燃料电池的离子导电杂化膜。

本发明的又一个目的是提供一种含有所述离子导电树脂纤维的用于燃料电池的膜电极组件。

技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种离子导电树脂纤维，其包含：内层，该内层包含离子导电树脂；和外层，该外层包含具有比所述内层的离子导电树脂的EW大的EW的离子导电树脂，并且围绕所述内层。

通常，在所述离子导电树脂纤维中，所述内层可以包含含有磺酸的聚合物，所述聚合物选自聚(亚芳基醚砜)、聚(亚芳基醚酮)、聚(亚芳基醚酰亚胺)、尼龙、乙酸纤维素和三乙酸纤维素中，但本发明并不限于此。所述外层可以包含上述在内层中使用的离子导电树脂。所述内层和外层可以包含相同的聚合物树脂或者不同的聚合物树脂。